Les capteurs sans contact transforment la conception

A P P L I C A T I O N
Capteurs
Les capteurs sans contact
transforment la conception
des appareils ménagers
Les commutateurs Reed et les capteurs à effet Hall sont des technologies sans contact
qui permettent de concevoir des solutions de détection souples, avec des tolérances
strictes. Les avancées réalisées dans ce domaine vont faciliter la conception d’appareils
qui répondent aux attentes des consommateurs, tout en ayant un impact réduit
sur l’environnement.
U
ne technologie intelligente,
développée initialement
pour des applications
industrielles, est en train de
s’inviter dans la vie quotidienne des
consommateurs. De nombreux
appareils ménagers qui étaient précédemment contrôlés par des relais,
des contacteurs et des commutateurs
mécaniques sont en effet dorénavant
confiés à des microprocesseurs
connectés à des capteurs « sans
contacts » pour contrôler des paramètres
tels que vitesse, température ou niveau. Le
marché mondial en forte expansion des
appareils intelligents a donné l’impulsion pour un passage vers ces technologies intelligentes basées à la fois sur la
mise en œuvre de microprocesseurs à
très faible consommation et sur l’adaptation des technologies de détection sans
contact au sein de ces appareils grand
public.
Vers des appareils
électroménagers
écoénergétiques
Avec la tendance qui consiste à utiliser de plus en plus de microcontrôleurs dans une vaste gamme d’appareils électroménagers, le volume
annuel d’appareils produits devrait
passer à 990 millions d'unités en
2017 selon plusieurs cabinets d’analyses, car l’intégration d’une forme
d’intelligence dans cette gamme
d’appareils va dans le sens historique
des consommateurs qui souhaitent
posséder dans leurs foyers des appareils modernes et efficaces, dont les
fonctionnalités ont finalement peu
évolué ces dernières décennies. Une
tendance qui concerne non seulement les appareils ménagers de
30 / L’EMBARQUÉ / N°12 / 2016
AUTEUR
Gwenn
Gmeinder,
directeur
marketing
technique
Capteurs,
Littelfuse.
toutes tailles mais aussi les systèmes
spécialisés de chauffage, de ventilation et de climatisation (HVAC/CVC)
qui se dotent de plus en plus de capteurs sans contact (figure 1).
Au-delà, l’utilisation de microprocesseurs dans les systèmes de pilotage
réduit la nécessité d’utiliser des
contacteurs et relais mécaniques de
grandes dimensions ainsi que des
technologies de commutation qui
consomment plusieurs ampères.
Dans l’état actuel des technologies,
la détection intelligente se contente
désormais de modules de détection/
commutation à basse tension/faible
consommation, et les dispositifs de
détection sans contact remplacent
idéalement des composants mécaniques.
Cette évolution s’inscrit dans un
contexte plus global : la hausse des
prix de l’énergie et la multiplication
des réglementations nationales ou
internationales qui exigent en effet
des appareils de plus en plus écoénergétiques. L'utilisation de capteurs
dans de multiples applications
(dont les réseaux électriques intelligents, les bâtiments intelligents
et le contrôle/commande de processus industriels intelligents) contribue
ici à une utilisation efficace des
ressources et à la réduction des
émissions de gaz à effet de serre.
Avec les appareils modernes qui
bénéficient d'une telle efficacité
grâce à l’implantation de capteurs
évolués, il est alors possible de
réduire considérablement les
niveaux d’énergie et d’eau requis et
la quantité de déchets liquides à éliminer. Enfin, la domotique et, de
manière plus générale, le confort des
consommateurs sont à l’origine
d’une demande en solutions d’électroménager intégrant des technologies de détection intelligente.
Comme les foyers modernes
deviennent de plus en plus dépendants de systèmes connectés à Internet, les appareils électroménagers ne
peuvent rester à l’écart de cette évolution inéluctable. Mieux, ces appareils intelligents dotés de capteurs
sans contact vont se trouver au cœur
des futures infrastructures des maisons intelligentes, et vont faciliter les
communications et les contrôles synchronisés dans toute la maison.
Des capteurs évolués
pour appareils performants
Deux types de capteurs sans contact
sont très couramment utilisés dans
les appareils ménagers : les commutateurs Reed et les capteurs à effet
Hall, tous deux fondés sur l’utilisation des effets du magnétisme. Ces
capteurs sont dits « sans contact » car
le dispositif d’activation n’a pas
besoin d’établir un contact physique
avec le capteur pour en modifier la
valeur de la sortie. Les commutateurs
Reed sont utilisés souvent pour les
applications de faible puissance en
raison de leur simplicité et de la fiabilité de leurs performances. Dans
les appareils ménagers, les commutateurs Reed sont habituellement
installés dans la porte des réfrigérateurs ou des fours. Leur rôle : détecter
si la porte est ouverte ou fermée. Le
capteur envoie un signal à l’unité de
pilotage pour activer ou désactiver
rapidement les LED de l’appareil. Les
contacts (lames) du commutateur
Reed étant enfermés dans une
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Capteurs
1 SCHÉMA D’UN RÉFRIGÉRATEUR INTELLIGENT
Ce réfrigérateur de nouvelle génération intègre de nombreux capteurs placés à des endroits stratégiques.
ampoule hermétique, ils sont protégés contre les températures extrêmes
et contre l’humidité, événements
fréquents dans de nombreux appareils (figure 2). Cette configuration est
sans impact sur la stabilité de leurs
contacts ou sur leur durée de fonctionnement.
Les capteurs à effet Hall, de leur
côté, sont utilisés souvent dans les
applications de détection de vitesse
du tambour d’un lave-linge. La
vitesse de rotation de ce dernier est
en effet contrôlée à l’aide d’un
aimant multipolaire (16 ou 32 pôles)
fixé à l’arbre du moteur. Cet aimant
tourne au-dessus d’un capteur à effet
Hall et permet ainsi de disposer de
mesures de vitesse d’excellente qualité. Le signal de vitesse numérique
obtenu est transmis ensuite au microcontrôleur qui contrôle en interne la
vitesse de rotation du moteur pour
les différents cycles du lave-linge. Les
capteurs à effet Hall sont programmables et peuvent être utilisés de
différentes manières pour obtenir des
sorties multiples, y compris numé-
rique, analogique et détection de la
vitesse et du sens de rotation
(figure 3).
Amélioration de la
souplesse et de la fiabilité
Avec ces technologies de détection
sans contact, le développement de
nouveaux appareils, vu du côté des
concepteurs, est beaucoup plus
souple, en particulier pour les applications qui imposent des tolérances
strictes. Une qualité particulièrement
importante dans les châssis confinés
où l’espace disponible pour le montage des capteurs est parfois limité.
Ces technologies livrent alors une
meilleure fiabilité et une plus grande
durabilité pendant toute la durée de
vie des appareils car elles ne sont pas
2 SCHÉMA D’UN COMMUTATEUR REED
On voit ici les différents constituants d’un commutateur Reed classique.
L’EMBARQUÉ / N°12 / 2016 /
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Capteurs
3 SCHÉMA D’UN CAPTEUR À EFFET HALL
On voit ici un capteur à effet Hall contrôlant la vitesse du tambour d’un lave-linge, avec un aimant en anneau.
affectées par l’usure mécanique ou
par l’accumulation des produits
d’oxydation sur les contacts mécaniques. En outre, les capteurs sans
contact sont protégés contre les
variations de température ou d’humidité, fréquentes dans la plupart
des appareils ménagers.
Du côté de la précision, les options
de signal en sortie des capteurs sans
contact incluent des signaux numériques pour la détection de position
et des valeurs de sortie proportionnelles pour la détection en linéaire
ou en rotation. Ces signaux peuvent
alors livrer des valeurs instantanées,
autorisant des contrôles stricts et une
meilleure résolution, pour une meilleure précision de détection.
Au-delà, contrairement aux dispositifs mécaniques dont les leviers, boutons et autres éléments sont souvent
bien visibles, les actionneurs et les
composants des technologies sans
contact (capteurs, aimants, etc.)
peuvent être facilement dissimulés
derrière les panneaux de l’appareil,
avec un effet induit sur l’esthétique
de celui-ci.
Enfin, last but no least, les solutions
de détection sans contact aident les
appareils ménagers à atteindre des
valeurs d’efficacité énergétique
nécessaires pour obtenir le label
ENERGY STAR (décerné par l’EPA,
l’agence des Etats-Unis pour l’environnement). L’utilisation de ces
appareils labellisés a un effet positif
sur l’environnement, l’EPA estimant
qu’ils réduisent de plus de 150 millions de tonnes par an les émissions
de gaz à effet de serre. Ces appareils
à consommation maîtrisée permettent également d’économiser
plus de 200 milliards de kWh d’électricité par an (ce qui correspond à
15 % de la consommation résidentielle aux Etats-Unis !). n
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